CN112332548B - 一种无线能量传输方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明属于远距离无线能量传输和无线充电领域，具体公开了一种无线能量传输方法及***，方法包括：控制基站将能量通过波束赋形集中传输到智能反射表面，并控制智能反射表面采用所吸收的能量调整其相位并形成多个能量波束，以反射至对应的多个用户；智能反射表面分为能量吸收阶段和能量反射阶段；在能量反射阶段智能反射表面接收基站传输的能量并完全传输至多用户，该过程中智能反射表面的自身能量消耗由在先的能量吸收阶段所吸收的能量提供。本发明方法引入智能反射表面，可提高能量传输有效距离和同等距离下能量传输效率，具有较强实用性，可应用于无线传感网络、无人机通信和空天地一体化等通信领域电池容量受限等设备。

Description

一种无线能量传输方法及***

技术领域

本发明属于远距离无线能量传输和无线充电领域，更具体地，涉及一种无线能量传输方法及***。

背景技术

随着无限通信技术的发展，未来网络将呈现广覆盖、巨连接等特点，而无线传感节点、无人机移动基站等能量受限等设备由于电池容量有限，难以维持长时间的工作要求。有线的供电方式不仅增加了成本还增加了网络的部署难度。无线能量传输是一种新型的能量传输方式，为解决能量受限设备续航时间短瓶颈问题提供了一种新的解决方法。无线能量传输被认为是未来绿色能源***的有力候选，是实现绿色无线网络的重要之一手段，也是近年来研究的热点。

现有的无线能量传输方式主要可以分为无辐射和辐射两种类型。无辐射能量传输主要基于近场耦合，有效传输距离在厘米级，应用于手机、新能源汽车等定点近距离能量补给。辐射型能量传输以微波能量传输技术为主，为远距离的无线能量传输带来了新的思路。然而由于电磁波在自由空间传播的严重衰减特性，只有小部分的发射功率能被接收器捕获。多天线、大规模天线阵列或大规模多输入多输出等技术的引入，理论上可以一定程度地提高能量传输效率，缓解难题。然而，由于射频链路巨大的能量消耗，大规模天线(阵)难以实现传输效率的显著改进；另一方面，昂贵的硬件成本使得大规模天线(阵)在实际应用中难以实现。因此，实现高效实用的无线能量传输***是至关重要的。

发明内容

本发明提供一种无线能量传输方法及***，用以解决现有无线能量传输方法存在的传输效率低的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种无线能量传输方法，包括：

控制基站将能量通过波束赋形集中传输到智能反射表面，并控制所述智能反射表面采用所吸收的能量调整其相位并形成多个能量波束，以反射至对应的多个用户；

其中，所述智能反射表面分为能量吸收阶段和能量反射阶段，构成一个无线能量传输周期；在所述能量吸收阶段所述智能反射表面仅吸收能量，在所述能量反射阶段所述智能反射表面接收基站传输的能量并完全传输至所述多用户，该过程中所述智能反射表面的自身能量消耗由在先的所述能量吸收阶段所吸收的能量提供。

本发明的有益效果是：本发明方法采用智能反射表面采用接收的能量通过相位调整形成多个能量波束以发射至对应的用户，实现分布式波束赋形，不涉及复杂的矩阵运算即可获得最佳波束赋形方案，操作简单，因此计算复杂度较低；其次，利用一定规模的智能反射表面可获得客观的能量传输效率，可有效缩小基站天线规模，简化基站配置；另外智能反射表面吸收能量和反射能量交替切换进行，时间切换机制可为智能反射表面提供所需的能量补给，使其应用更为广泛，尤其在无外接电源场景。与传统的方法(基于大规模天线(阵))相比，本发明方法可提高能量传输的有效距离和同等距离下能量传输效率，具有较强的实用性，可应用于无线传感网络、无人机通信和空天地一体化等通信领域电池容量受限等设备。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述基站的波束赋形矢量

表示为：

式中，H为基站和智能反射表面之间的信道，w₁为基站端的能量波束矢量，P_t为基站端的发射功率；

智能反射表面实时相位Φ^*表示为：

式中，Φ为智能反射面的反射系数矩阵，z为智能反射面和用户间的信道。

进一步，在无线能量传输之前，以最大化能量传输效率为目标，确定时间因子τ，其中，τT时间内，所述智能反射表面处于能量吸收阶段；在(1-τ)T时间内，所述智能反射表面置于能量反射阶段，T为周期长度。

进一步，所述能量传输效率

其中，P_e为基站单个天线能耗，M为基站天线数目，P_r(τ,w₁,Φ,M,N)为用户端收集到的总能量，P_t为基站发射功率，w₁为基站端的能量波束矢量，Φ为智能反射面的反射系数矩阵，N为智能反射面的反射单元数；

所述最大化能量传输效率表示为：

约束条件为：基站的波束赋形矢量

智能反射表面实时相位

式中，H为基站和智能反射表面之间的信道，P_t为基站端的发射功率，z为智能反射面和用户间的信道，

为单位时间内智能反射面吸收到的能量。

进一步，根据用户的初始能量状态，确定智能反射表面处的能量分配因子ξ₁,…,ξ_K，且满足

其中，k为用户编号，并采用能量效用函数作为优化目标实现能量分配。

本发明还提供一种无线能量传输***，包括：基站，智能反射表面，以及用于控制所述基站和所述智能反射表面执行如上所述的一种无线能量传输方法的控制器。

本发明的有益效果是：本发明***采用智能反射表面，其接收基站发送的能量并通过相位调整形成多个能量波束以发射至对应的用户，实现分布式波束赋形，不涉及复杂的矩阵运算即可获得最佳波束赋形方案，操作简单，计算复杂度较低；其次，利用一定规模的智能反射表面可获得客观的能量传输效率，可有效缩小基站天线规模，简化基站配置；另外智能反射表面吸收能量和反射能量交替切换进行，时间切换机制可为智能反射表面提供所需的能量补给，使其应用更为广泛，尤其在无外接电源场景。与传统的传输***(基于大规模天线(阵))相比，本发明***可提高能量传输的有效距离和同等距离下能量传输效率，具有较强的实用性。

进一步，所述控制器设置于所述基站内。

本发明的进一步有益效果是：控制器设置于基站内，结构简单。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无线能量传输方法的传输示意图；

图2为本发明实施例提供的基于智能反射表面辅助的分布式波束赋形示意图；

图3为本发明实施例提供的基于时间切换的能量传输机制示意图；

图4为本发明实施例提供的基于智能反射面辅助的时间切换机制下能量传输效率与传统能量传输方案的对比图；

图5为本发明实施例提供的基于功率分配方案用户间能量状态差异与传统功率分配方式间的对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种无线能量传输方法，如图1所示，包括：

控制基站将能量通过波束赋形集中传输到智能反射表面，并控制智能反射表面采用所吸收的能量调整其相位并形成多个能量波束，以反射至对应的多个用户；其中，智能反射表面分为能量吸收第一阶段和能量反射第二阶段，构成一个无线能量传输周期；在能量吸收第一阶段智能反射表面仅吸收能量，在能量反射第二阶段智能反射表面接收基站传输的能量并完全传输至多用户，该过程中智能反射表面的自身能量消耗由在能量吸收第一阶段所吸收的能量提供。

如图2所示的基于智能反射表面辅助的多用户场景下无线能量传输分布式波束赋性策略示意图，利用智能反射表面低成本、低功耗以及具有对电磁波操纵能力(吸收、反射)等特点，结合传统阵列天线(基站端)，设计高效实用的远距离无线能量传输方案。

优选的，基站的波束赋形矢量

表示为：

式中，H为基站和智能反射表面之间的信道，w₁为基站端的能量波束矢量，P_t为基站端的发射功率；智能反射表面实时相位Φ^*表示为：

式中，Φ为智能反射面的反射系数矩阵，z为智能反射面和用户间的信道。

具体的，首先计算基站端能量波束向量：基站发送信号

其中P_t为发射功率，x为单位能量信号，即，最佳波束赋形矢量

v₁为H^HH最大特征值对应的特征向量。由于基站与智能反射表面间信道H秩为1，很容易计算出

的表达形式为e(M,θ_Dsr)，其中θ_Dsr为基站端阵列天线到智能反射表面的离开角(AOD),e(M,θ)为M元素均匀线性阵的归一化阵列导向向量。其次，设计智能反射表面相位调整：在最佳波束向量

下，到达智能反射表面处的信号表示为：

接收到的能量为

经反射面反射后的信号为

其中Φ为智能反射表面相移矩阵，可表示为

用户k接收到的能量强度为

其中z_k为智能反射面与用户k之间的信道。为实现用户端收集能量的最大化，最佳相移矩阵表示为：

其中

θ_Drk和φ_Drk为反射面到用户k的离开角(方位角和仰角)，θ_Asr和φ_Asr为从基站到反射面到达角(方位角和仰角)。

利用已知的信道状态信息，设计出基于分布式的波束赋形方案。基站端将能量通过波束赋形

集中精准的传输到智能反射表面；然后，智能反射表面通过对相位的实时调整(Φ^*)，形成多个能量波束，实现能量的反射和转发，将能量精准地传递给用户端。

优选的，在无线能量传输之前，以最大化能量传输效率为目标，确定时间因子τ，其中，τT时间内，所述智能反射表面处于能量吸收第一阶段；在(1-τ)T时间内，所述智能反射表面置于能量反射第二状态，T为周期长度。

利用上述波束赋形方案(

和Φ^*)，设计基于时间切换的无线能量传输机制。具体地，如图3所示的基于时间切换的能量传输机制，包括两个阶段：T周期时间内，第一阶段τT时间内，智能反射表面处于吸收状态，将吸收到的能量

有效收集和存储，用于下一阶段自身相位调整所需的能量；在时间为(1-τ)T的第二阶段，智能反射表面置于全反射状态，将入射能量全部向用户端进行转发。在考虑***整体能耗的前提下，从最大化能量传输效率的角度，联合波束赋形和时间切换机制，设计最佳时间因子。

时间因子的选择受到第二阶段时长和智能反射表面单元相位调整消耗的能量约束，具体关系为：

优选的，能量传输效率

其中，P_e为基站单个天线能耗，M为基站天线数目，P_r(τ,w₁,Φ,M,N)为用户端收集到的总能量，P_t为基站发射功率，w₁为基站端的能量波束矢量，Φ为智能反射面的反射系数矩阵，N为智能反射面的反射单元数；最大化能量传输效率表示为：

约束条件为：基站的波束赋形矢量

智能反射表面实时相位

式中，H为基站和智能反射表面之间的信道，P_t为基站端的发射功率，z为智能反射面和用户间的信道，

为单位时间内智能反射面吸收到的能量。

优选的，根据用户的初始能量状态，确定智能反射表面处的能量分配因子ξ₁,…,ξ_K，且满足

其中，k为用户编号，并采用能量效用函数作为优化目标实现能量分配。

假设有K个用户，各用户的初始能量状态为e₁,…,e_K，智能反射表面处能量分配因子为ξ₁,…,ξ_K。目标能量效用函数表示为：

其中

表示当所有能量分配给用户k时，采用所提方法用户k收集到的能量。

为实现能量传输的“公平性”，结合已知的用户初始能量状态，设计合理的功率分配方案，实现用户间能量状态的均衡，确保***的平稳性。

图4所示为本实施例提出的基于时间切换的能量传输机制下能量传输效率与传统能量传输方案(传统方案包括：无智能反射表面传输方案和基于外部供电的智能反射面辅助的传输方案)的对比：基站天线数M＝200，发射功率为1-50W，智能反射面的元素个数有两种情况N＝1000或N＝3000。无智能反射表面传输方案只是传统的基于基站的能量传输***，基于外部供电的智能反射面辅助的传输方案没有采用本发明所提出的能量切换机制，智能反射面在周期之间内一直处于反射状态，但其能量来源需由外部提供。图中可以看出，与无智能反射面方案相比，本实施例所提智能表面辅助方案可以有效提高能量传输效率。且当智能反射面的规模达到一定尺寸时，本实施例提出的时间切换先吸收再转发机制具有明显的改善。

图5是基于本实施例提出的功率分配方案用户间能量状态差异与传统功率分配方式(传统功率分配方式包括：均等功率分配和无能量感知的功率分配方案)间的对比。实施例中假设有6个用户，用户的初始能量状态为(0.9,0.20,0.1,0.48,0.45,0.52)，传统功率分配方式包括均等功率分配和无能量感知的功率分配方案，其中无能量感知方案，是指不关注用户的初始能量状态，而只追求整体能量效率的最大化。有图可以看到，本实施例所提的能量感知方案可有效改善用户间能量状态的差异，实现用户间的能量均衡。

因此，本实施例方法不涉及复杂的矩阵运算即可获得最佳波束赋形方案，操作简单，因此计算复杂度较低；另外，利用一定规模的智能反射表面可获得客观的能量传输效率，可有效缩小基站天线规模，简化基站配置；基于时间切换机制可为智能反射表面提供所需的能量补给，使其应用更为广泛，尤其在无外接电源场景。与传统的方法(基于大规模天线(阵))相比，本实施例的设计方案可提高能量传输的有效距离和同等距离下能量传输效率；较强的实用性使得本实施例方法可应用于无线传感网络、无人机通信和空天地一体化等通信领域电池容量受限等设备。

实施例二

一种无线能量传输***，包括：基站，智能反射表面，以及用于控制所述基站和所述智能反射表面执行如上实施例一所述的一种无线能量传输方法的控制器。相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

优选的，所述控制器设置于所述基站内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无线能量传输方法，其特征在于，包括：

控制基站将能量通过波束赋形集中传输到智能反射表面，并控制所述智能反射表面采用所吸收的能量调整其相位并形成多个能量波束，以反射至对应的多个用户；

其中，所述智能反射表面分为能量吸收阶段和能量反射阶段，构成一个无线能量传输周期；在所述能量吸收阶段所述智能反射表面仅吸收能量，在所述能量反射阶段所述智能反射表面接收基站传输的能量并完全传输至所述多个用户，该过程中所述智能反射表面的自身能量消耗由在先的所述能量吸收阶段所吸收的能量提供；

在无线能量传输之前，以最大化能量传输效率为目标，确定时间因子τ，其中，τT时间内，所述智能反射表面处于能量吸收阶段；在(1-τ)T时间内，所述智能反射表面置于能量反射阶段，T为周期长度。

2.根据权利要求1所述的一种无线能量传输方法，其特征在于，所述基站的波束赋形矢量

表示为：

式中，H为基站和智能反射表面之间的信道，w₁为基站端的能量波束矢量，P_t为基站端的发射功率；

智能反射表面实时相位Φ^*表示为：

式中，Φ为智能反射面的反射系数矩阵，z为智能反射面和用户间的信道。

3.根据权利要求1所述的一种无线能量传输方法，其特征在于，所述能量传输效率

其中，P_e为基站单个天线能耗，M为基站天线数目，P_r(τ,w₁,Φ,M,N)为用户端收集到的总能量，P_t为基站发射功率，w₁为基站端的能量波束矢量，Φ为智能反射面的反射系数矩阵，N为智能反射面的反射单元数；

所述最大化能量传输效率表示为：

约束条件为：基站的波束赋形矢量

智能反射表面实时相位

0<τ<1；式中，H为基站和智能反射表面之间的信道，z为智能反射面和用户间的信道，

为单位时间内智能反射面吸收到的能量。

4.根据权利要求1所述的一种无线能量传输方法，其特征在于，根据用户的初始能量状态，确定智能反射表面处的能量分配因子ξ₁,…,ξ_K，且满足

其中，k为用户编号，并采用能量效用函数作为优化目标实现能量分配。

5.一种无线能量传输***，其特征在于，包括：基站，智能反射表面，以及用于控制所述基站和所述智能反射表面执行如权利要求1至4任一项所述的一种无线能量传输方法的控制器。

6.根据权利要求5所述的一种无线能量传输***，其特征在于，所述控制器设置于所述基站内。

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